城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗系統研究*

方 宇,陳曉麗,宋瑞剛,堯輝明,楊 儉

(上海工程技術大學 城市軌道交通學院,上海201620)

本文在城市軌道車輛模擬牽引系統的基礎上,對城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗系統進行了研究,擬通過此試驗系統對城市軌道車輛模擬牽引單元電阻制動能量進行回收,并加以合理利用。

1 城市軌道車輛模擬牽引系統基本原理

30 kW城市軌道車輛模擬牽引系統基本原理如圖1所示,包括牽引整流逆變單元、牽引電機等。該試驗系統可以模擬車輛實際運行工況中的牽引電機運行狀態,對所測得數據的分析可用于指導實際牽引、制動工況中的控制研究。

模擬TCU的主要作用是控制牽引電機和負載電機按照現有車輛ATO模式運行,3級飛輪模擬車輛運行在AW0(空載)、AW1(滿載)、AW2(超載)3種工況下的機車轉動慣量。

該系統的基本工作原理如下:

(1)當牽引時,將交流電整流逆變后,變壓變頻驅動控制牽引電機;當制動時,牽引電機變為發電機,通過整流將交流電轉換成直流電,同樣運行阻力加載過程也是將交流電整流逆變后,由模擬TCU單元變壓變頻驅動控制負載電機,該電機用于模擬車輛實際運行時的阻力加載。

(2)通過機械控制方式來改變3級飛輪的檔次以模擬實現車輛慣量加載3種工況。利用模擬TCU單元對車輛牽引和制動的各種參數進行設定和測量,并通過實施相應的控制策略,使該系統模擬城市軌道車輛現有ATO或手動運行模式的要求。

圖1 城市軌道車輛模擬牽引系統原理圖

2 城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗系統設計

在城市軌道車輛模擬牽引系統研制的基礎上,對城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗系統進行了設計,該系統基本結構如圖2所示,主要包括儲能單元、控制單元、用電器及其輔助電源等。

2.1 試驗系統儲能單元

試驗系統儲能單元主要包括電雙層電容器組及其接口電路、監測系統等。電雙層電容器組在試驗系統中的主要作用是對城市軌道車輛模擬牽引系統實施電阻制動時,將過去由發電機產生并消耗在制動電阻上的能量進行存儲,并利用放電回路對其加以合理利用。

電雙層電容器組由若干單體容量為2 400 F的電雙層電容器(EOLC:Electric Double Layer Capacitor)采用串并聯的形式所組成,在儲能組件中的每組電雙層電容器上均裝有旁路電流達100 A的平衡電路板,以均衡在串聯工作狀態下每支電雙層電容器上的工作電壓,保證電雙層電容器的工作安全。

圖2 城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗系統基本結構

儲能單元提供有與牽引單元的接口電路,同時分別提供兩路DOWN和UP的干接點信號以供進一步控制開發使用,其中DOWN干接點信號對應電雙層電容器組工作起始狀態,UP干接點信號對應電雙層電容器組工作截止狀態,其中DOWN干接點信號對應電壓可在一定范圍內進行調節。

2.2 試驗系統控制單元

試驗系統控制單元主要以AT89S51單片機系統為核心構建,其外圍電路又包括光耦隔離、大功率高速開關及其驅動模塊等。

單片機系統的前向通道與后向通道均采用光耦隔離芯片將其與輸入、輸出部分隔開,以保證其數據采集、控制的精確性。在牽引整流逆變單元與電雙層電容器組、制動電阻之間的切換采用大功率的集成IGBT模塊,該模塊可以采用5 V的單片機系統直接驅動,電雙層電容器組、輔助電源與用電器之間的切換根據用電器的形式(交、直流)差異,采用大功率的MOSFET芯片或固態繼電器。

2.3 城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗系統基本工作原理

(1)系統初始狀態

系統初始狀態時,在控制單元的作用下,關斷開關模塊1,導通開關模塊2,牽引單元與制動電阻連通,如牽引單元制動產生電能則首先通過制動電阻釋放,以保證系統工作安全。開關模塊3關斷,開關模塊4導通,同樣首先采用輔助電源向相關用電器供電。

(2)系統工作狀態

系統控制單元循環檢測電雙層電容器組電壓:當采集到電雙層電容器組有DOWN干接點信號輸出時,導通開關模塊1,關斷開關模塊2,牽引單元制動時通過DC/DC充電電路向電雙層電容器組充電,控制單元接著繼續判斷電雙層電容器組系統是否輸出UP干接點信號:

(a)如沒有,執行以下操作:保持“導通開關模塊1,關斷開關模塊2”的狀態不變,然后,同時開關模塊3導通,開關模塊4關斷,電雙層電容器組開始向用電器供電;

(b)當檢測有UP干接點信號輸出時,執行以下操作:關斷開關模塊1,導通開關模塊2,牽引單元與制動電阻連通,其制動產生的電能通過制動電阻得以釋放。保持放電電路狀態,處理完畢后返回主循環繼續檢測并執行相應動作。

3 城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗

試驗研究是基于城市軌道交通車輛模擬牽引系統和電阻制動能量回收試驗系統進行的。主要研究車輛牽引速度、轉矩、制動電流等參數的變化規律,通過測試的數據,進而計算出制動及回收的能量。試驗之前要進行如下幾個方面的設置:

(1)牽引曲線設置

通過模擬TCU單元控制前面板中的曲線設置窗口,輸入牽引運行曲線控制函數,模擬車輛ATO運行工況。因試驗重點是考察牽引與電阻制動過程,故對運行曲線進行簡化設置,其運行曲線如圖3所示,最高轉速可達1 500 r/min。

圖3 試驗臺模擬輸入的城市軌道車輛AT O運行曲線

(2)慣量設置

通過牙嵌式離合器機械換擋的方式來改變3級飛輪的加載檔次,牙嵌式離合器同時設有機械鎖死機構,防止飛輪轉動過程中發生橫向移動和碰撞。

(3)控制方式設置

牽引電機由變頻調速系統按矢量控制方式,做轉速閉環控制;負載電機(測功機)變頻調速系統按DTC(直接轉矩控制)方式,做轉矩閉環控制,共同模擬牽引負載的互動變化。

牽引控制單元在電機制動時同樣有兩種電能處理方法,即回饋電網的再生制動和由制動電阻消耗的電阻制動,為方便試驗研究將牽引控制單元的制動方式直接設定為電阻制動。

圖4為在AW3工況下,利用回收試驗系統測量的車輛牽引模擬轉速、轉矩曲線,可以看出該曲線與設置的運行曲線(圖3)基本一致,圖中轉矩為負的區段:AB、CD、EF段代表制動區域。

圖4 AW3工況牽引轉速、轉矩測試曲線

圖5為AW3工況下電阻制動能量回收測試曲線,對應圖4中的制動區域,在圖5中均產生制動電流,相對應制動能量明顯增加的區域分別為A1B1、C1D1段,最后一階段的制動區域由于速度較低,產生制動電流很小,故在圖中未加以標注。

圖5 AW3工況電阻制動能量回收測試曲線

圖6 AW3工況電雙層電容器組充放電特性測試曲線

圖6為AW3工況下電雙層電容器組充放電特性測試曲線。在本試驗系統中的用電器為DC110 V(或AC110 V),考慮電雙層電容器組和用電負載的匹配關系,以及電雙層電容器組的深度壓降問題,將電雙層電容器組DOWN干接點信號輸出對應電壓調整至130 V。可以看出,當產生充電電流時,電雙層電容器組電壓有一段迅速升高過程,分別為A2B2、C2D2區域,最后一階段同樣由于制動電流太小,因此對應在圖6中該階段的電雙層電容器組充電特性表現的也不明顯。從圖6還可以看出,當電雙層電容器組儲能電壓高于130 V時,在控制單元的作用下開始對用電器供電,隨著供電時間的延長其電壓呈下降狀態,當儲能電壓降至130 V以下時,又在控制單元的作用下切換至輔助電源供電,而電雙層電容器組停止放電,得以保持電雙層電容器組的電壓。

4 結束語

在城市軌道車輛模擬牽引系統的基礎上,對城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗系統進行了設計。試驗結果表明利用該系統可以對城市軌道車輛模擬牽引系統電阻制動能量進行有效回收,并提供給車輛用電器使用。該試驗系統的開發對城市軌道交通車輛電阻制動能量回收控制方法的研究具有一定的理論價值和現實意義。

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